高频超声波降低高酸原油粘度的实验研究*

吴晓涛，黄伟莉，王锦涛，刘　朋，张帮亮

(1 广东省茂名市质量计量监督检测所，广东　茂名　525000；2 广东石油化工学院化学工程学院，广东　茂名　525000；3 广东石油化工学院石油工程学院，广东　茂名　525000)



高频超声波降低高酸原油粘度的实验研究*

吴晓涛1，黄伟莉2，王锦涛2，刘朋3，张帮亮3

(1 广东省茂名市质量计量监督检测所，广东茂名525000；2 广东石油化工学院化学工程学院，广东茂名525000；3 广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名525000)

采用Brookfield DV-Ⅲ Ultra流变仪、LV1转子、10 r/min测量转速，研究了在功率为0～240 W、作用时间为0～40 min、温度为30～80 ℃的条件下，120 kHz的超声波对中国石化茂名分公司加工所使用的酸值为1.82 mgKOH/g的高酸原油的降粘效果。结果表明，经240 W、30 min和50 ℃的优化条件处理后，高酸原油的粘度从59.3 mPa·s降低至39.4 mPa·s，降粘率为26.9%。超声波处理后的高酸原油经50 ℃恒温静置24 h，其表观粘度基本恢复。

高酸原油；超声波；流变仪；粘度

近年来，随着常规原油资源日益减少和原油开采技术的提高，非常规原油得到了越来越多的重视，其产量亦逐年增加。高酸原油作为其中一种重要的非常规原油，分布广，储量大，且具有价格优势，因此广泛用于石油炼制、石油化工等领域。但是，由于高酸原油的高酸值对原油的开采、集输和加工、使用都带来腐蚀的危险。降低高酸原油的粘度，不仅能够改善原油流动性、降低能耗，并且有利于脱酸加工处理，降低对设备腐蚀风险。超声波是一种频率高于20 kHz 弹性机械波[1]，因其震动方向与传播方向一致，在液体中形成疏密波，一定条件下液体中稀疏的部分瞬间被拉开，形成微小的空泡，周边的液体在压差的作用下又会迅速回填，空泡淬灭而产生巨大的压力和高温，促使接触到空泡的液体分子分解，即空化作用。超声波在液体中传播的过程中不仅有空化作用，还产生热作用和机械搅拌作用。利用超声波以上特殊功能，在化工合成[2]、水污染处理[3-4]、清洗[5]中得到广泛应用。阎向宏等[6]做过超声波处理稠油的试验，其粘度降低24%，效果良好。超声波在处理其它原油的实验中也取得良好的降粘效果[7-8]。但是一般使用的是频率20 kHz和40 kHz 的超声波，而高频超声波降低原油粘度的研究较少，张帮亮等[9]使用低酸值大庆原油进行了降粘实验，取得了明显的降粘效果。

本文进行了120 kHz超声波降低茂名石化炼油厂加工用的酸值为1.82 mgKOH/g 的高酸原油的表观粘度研究，并考察其粘度恢复性。为高频超声波降低高酸原油粘度工业化应用提供借鉴。

1　实　验

1.1试剂与仪器

高酸原油(酸值1.82 mgKOH/g)，取自中国石化茂名分公司。

UC-300W120KHz超声波清洗机，广州维力超声电子设备有限责任公司；Ultra LVDV-Ⅲ可程式流变仪，美国布氏粘度计公司；THS-10 型超级恒温槽，宁波天恒仪器厂；恒温水浴杯(200 mL)，自行制造。

1.2实验方法

1.2.1原油超声波处理方法

超声波处理装置见图1。取已恒温的180 mL高酸原油于单层玻璃杯，放入水槽指定位置内并用铁架台固定好，调节清洗槽液面与玻璃杯中油样液面相平。设定超声波清洗机的功率至实验值，范围为 60～240 W。开始计时，达到规定时间，时间范围为0～40 min，结束超声波处理。

图1　超声波处理装置示意图Fig.1　Schematic diagram of ultrasonic treatment device

1.2.2原油表观粘度测定法

调试好流变仪，开启恒温水浴至与其外循环连接的玻璃水浴夹套杯温度达到设置值，范围为 30～70 ℃。将处理后的高酸原油倒入水浴夹套杯内，轻抬流变仪测试头，调整升降旋钮至 LV1测量转子的连接杆凹槽与原油液面持平，稳定 2 min。以 10 r/min恒定转速连续测量2 min，记录粘度值。

2　结果与讨论

2.1超声波作用功率对高酸原油粘度的影响

图2　高酸原油粘度与超声波功率对应关系Fig.2　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic power

在温度50 ℃、时间30 min的条件下，考察超声波作用功率为60～240 W对高酸原油表观粘度的影响，结果如图2所示。

图2表明，当超声波的作用温度和时间一定时，高酸原油的表观粘度值随超声波功率的增大而增加。其原因是超声波的功率越大，单位时间内发射出的声波强度越强，声压峰值越大，所造成的空化作用、机械作用和热效应作用就会越强，结合的蜡晶被打散，原油中更多的胶质、沥青质等缔合大分子解体甚至断键，均匀地分散在游离态的小分子的烃类和环烷烃中，此过程中原油分子内摩擦加剧，整体温度升高，原油分子间间距进一步拉大，表观粘度大幅度降低。当功率达到120 W后，高酸原油的降粘曲线逐渐趋向平缓，主要原因是当超声波功率达到一定值时，原油中的蜡晶被打散，胶质、沥青质缔合大分子被拆分并趋于均匀分布，接近超声波作用的极限。再继续增大功率原油的粘度降低不显著。从降粘效果的角度考虑，选择240 W超声波功率进行下一步实验。

2.2超声波作用时间对高酸原油粘度的影响

在温度50 ℃，功率240 W条件下，考察5～40 min的超声波作用时间对高酸原油粘度的影响，如图3所示。

图3　高酸原油粘度与超声波作用时间对应关系Fig.3　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic time

图3表明，在30 min内，随着超声波作用时间的延长，高酸原油的粘度会进一步降低。但在作用时间超过30 min之后，随着超声波作用时间的延长，原油粘度稍微有所上升。这是因为在此温度下，原油内部还存在较多的大分子蜡晶结构。在0～30 min内，超声波的空化作用和机械作用会破坏原油内部的长链石蜡烃分子，胶质和沥青质等大分子缔合物量降低，超声波作用中产生的热能提高了原油体系的温度，拉大了分子间的距离，从而导致原油粘度不断降低。在30 min之后，已经被超声波打散的蜡晶，在超声波的声压和机械搅拌作用形成的相对平稳的疏密波的链节处重新聚集、压实，形成了新的蜡晶空间聚集体，表观粘度出现略微回升。综合上述因素，选择30 min作为超声波的作用时间进行下一步实验。

2.3超声波作用温度对高酸原油粘度的影响

在功率240 W，时间30 min条件下，考察30～70 ℃的超声波作用温度对高酸原油粘度的影响，如图4所示。

图4表明，在30～60 ℃的温度范围内，超声波作用均能降低高酸原油的粘度，温度低于50 ℃时，粘度下降的趋势随温度的上升较为显著，当温度超过50 ℃时，降粘效果不明显。温度达到70 ℃时，超声波对原油的粘度基本没有影响。原因是，温度30 ℃时，原油中蜡晶含量相对多，容易形成空间网络结构而把液体油包裹其中，胶质、沥青质也容易缔合形成大分子，原油因整体粘度值高，超声波通过玻璃杯壁面向原油内部传播时衰减快，在30 min内不足以将蜡晶充分打碎、分散胶质和沥青质缔合成的大分子。在温度为30 ℃时，超声波降低高酸原油的效果不显著，直到温度升高到50 ℃，原油中的蜡晶少，胶质、沥青质缔合形成大分子的量相对低，正好满足超声波通过杯壁向原油内部传播而降低原油粘度。该温度下的降粘效果最为显著。温度超过50 ℃后原油中的蜡晶大幅度减少，胶质、沥青质缔合形成的大分子容易分散在原油中，超声波打碎蜡晶的作用大幅度下降，更多的是起到分散胶质、沥青质的作用，降粘效果变得不明显。70 ℃时，原油中的蜡全部溶解并且和胶质、沥青质均匀的分散在类似真溶液的原油体系中，超声波只起到了搅拌的作用，无降粘效果。

图4　高酸原油粘度与超声波作用温度对应关系Fig.4　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic temperature

2.4超声波处理高酸原油粘度的恢复

图5　超声波处理后的高酸原油粘度与静置时间的对应关系Fig.5　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and static time

综合上述实验结果，优选 50 ℃、240 W和30 min的超声波作用条件，处理4瓶同样的高酸原油样品，同时准备4瓶未经过超声波处理的高酸油为参比油样，放在50 ℃的恒温水浴内，定期取出超声波处理的油样和参比油样测试粘度，考察超声波降低高酸原油粘度的恢复性，如图5所示。

图5表明，经超声波优化条件处理后，表观粘度为53.9 mPa·s的高酸原油降低到39.4 mPa·s，降粘率为26.9%，效果明显。处理后的高酸原油，经50 ℃、12 h的恒温静置，表观粘度升至52.8 mPa·s，经50 ℃、24 h的恒温静置已与未处理的油品表观粘度相当，粘度基本恢复。说明120 kHz的超声波处理高酸原油其粘度下降具有时效性。

3　结　论

(1) 在温度50 ℃、时间30 min的条件下，高酸原油表观粘度随超声波作用功率的增加而降低。

(2) 在温度50 ℃，功率240 W 的条件下，高酸原油表观粘度随超声波作用时间的延长而降低。

(3) 在功率240 W、时间30 min的条件下，超声波降低高酸原油表观粘度的最佳温度为50 ℃。

(4) 经超声波功率240 W、时间30 min和温度50 ℃优化条件处理的高酸原油降粘率达26.9%。但是经过24 h的恒温静置，粘度基本恢复。

[1]程丽华,吴金林.石油产品基础知识[M].北京:中国石化出版社,2006:70-71.

[2]PETIT A C, NOIRET N, GUEZENNEC J, et al. Ultrasonic depolymerization of an exopolysaccharide produced by a bacterium isolated from a deep-sea hydrothermal vent polychaete annelid [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2007, 14(2): 107-112.

[3]SIVAKUMAR M, PANDIT A B. Wastewater treatment: a novel energy efficient hydrodynamic cavitational technique [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2002, 9(3): 123-131.

[4]MATOUQ M A, AL-ANBER Z A. The application of high frequency ultrasound waves to remove ammonia from simulated industrial wastewater [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2007, 14(3): 393-397.

[5]HILGERT J. Specifying an ultrasonic cleaning system [J]. Metal Finishing, 1997, 95(95): 54-56.

[6]阎向宏,张亚萍.超声波降低稠油粘度的实验结果[J].油气田地面工程,1996,15(5):20-21.

[7]徐德龙,邓京军,李超,等.超重油降粘中超声波作用的研究[J].声学技术,2014,33(6): 517-521.

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[9]张帮亮,肖振禹,蔡泽康,等. 120 kHz超声波对原油降粘影响的实验研究[J].广东石油化工学院学报,2015,25(4):39-41,46.

Experimental Study of Viscosity Reduction on High Total Acid Crude Oil with High Frequency Ultrasonic Wave*

WUXiao-tao1,HUANGWei-li2,WANGJin-tao2,LIUPeng3,ZHANGBang-liang3

(1 Maoming Quality Supervision and Inspection Measurement, Guangdong Maoming 525000;2 College of Chemical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology,Guangdong Maoming 525000; 3 College of Petroleum Engineering, Guangdong University of Petrochemical Engineering, Guangdong Maoming 525000, China)

The effects of ultrasonic wave on viscosity reduction of high total acid number crude oil of 1.82 mgKOH/g takeing from Sinopec Maoming company under ultrasonic power of 0～240 W, action time of 0～40 min and aciton temperature of 30～80 ℃ were studied by using Brookfield DV-Ⅲ Ultra rheometer, LV1 rotor and 10 r/min rotating speed for measurement. The results showed that after a ultrasonic treatment to high total acid number crude oil under the optimal conditions of 240 W, 30 min and 50 ℃, its viscosity reduced from 59.3 mPa·s to 39.4 mPa·s and viscosity reduction rate reached 26.9%. After static time of 24 h at 50 ℃, the viscosity of ultrasonic treated high total acid number crude oil recoveried mainly.

high total acid crude oil; ultrasonic wave; rheometer; viscosity

茂名市科技计划项目(No：201621)；2015年广东石油化工学院大学生创新创业校级培育计划项目(No：2015pyA004)；2015年广东石油化工学院大学生创新创业校级培育计划项目(No：2015pyC001)。

吴晓涛(1987-)，男，硕士，主要从事石油化工检测分析工作。

黄伟莉(1976-)，女，副教授，主要从事石油化工工艺开发和应用。

TE868

A

1001-9677(2016)015-0067-03